小规格管坯电弧式中心孔机的试制

许建洲，叶青，周云峰，邹萍

（1.常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟 215500；2.常熟市无缝钢管有限公司，江苏常熟 215500）

小规格管坯电弧式中心孔机的试制

许建洲1，叶青2，周云峰2，邹萍1

（1.常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟 215500；2.常熟市无缝钢管有限公司，江苏常熟 215500）

冷拔无缝钢管的壁厚偏差是评定其质量优劣的重要指标，而管坯中心孔的加工是减少壁厚偏差的重要保证.为了解决硬质材料管坯上难于打中心孔的问题，提出一种基于电弧式中心孔机的设计方法.介绍了该机的组成和原理.实际生产表明，该机减小了穿孔毛管壁厚偏差，提高了毛管的质量.

电弧式；PLC；交流伺服控制；管坯中心孔

近年来，冷拔小无缝钢管生产销售从国内市场逐步走向国际市场，对冷拔无缝钢管质量也提出了更高的要求.圆管坯中心孔的加工目的是防止穿孔穿偏，减少壁厚不均，并改善斜轧穿孔的两次咬入条件，使穿孔过程顺利进行[1].2011年，日本光阳公司向常熟市无缝钢管有限公司提出，所购买的轴承钢管在加工过程中增加管坯上打中心孔的工序.根据目前国内现有的小规格管坯中心孔机不能加工高硬度材料中心孔的问题（如轴承管坯），我们用了两个多月的时间，试制成电弧式全自动小规格管坯中心孔机，该设备已在常熟市无缝钢管有限公司投入使用，通过给管坯加工中心孔，使穿孔毛管壁厚偏差从±0.3 mm减少到±0.15 mm，提高了毛管的质量.

1 电弧式中心孔机主要技术指标

（1）电源：交流三相四线制，380 V±10%，70 KVA；

（2）压缩空气：0.5 MPa～0.6 MPa；

（3）管坯：长度L=580 mm～1800 mm；管坯直径φ=40 mm～90 mm；

（4）碳棒：直径φ=10 mm～14 mm；碳棒长度L=400 mm；

（5）加工周期≤25 s.

2 电弧式中心孔机组成

电弧式中心孔机主要由晶闸管式弧焊整流器、机械与气动、电控系统等三部分组成.

（1）晶闸管式弧焊整流器型号为ZX5-1000，输入容量67 KVA，空载电压72 V，额定电流1000 A，电流调节范围150 A～1000 A.该设备适用于自动埋弧焊接、碳弧气刨及直流焊条电弧焊用的焊接设备，在中心孔机中使用碳弧气刨功能.

（2）机械部分主要由上、下料台、进料滚道、加工压轮、碳棒小车以及气动部分组成.

（3）电控系统主要由以下部分组成：①三菱PLC FX2N-48MT-001主机、FX2N-16EX扩展模块、FX0N-3A模拟量模块；②三菱伺服电机HK-KT-S73 K、三菱MR-J2S-70 A伺服驱动器；③E3JK-DS30MT光电开关、CST-F磁性开关、J6-D8NK接近开关、SWP-20ICC-5-21-A电压电流转换模块和电流互感器；④0.55 KW三相异步电机3台.设备平面布置图见图1.

图1 小规格管坯电弧式中心孔机平面布置图

3 工作原理

3.1 基本原理

小规格管坯电弧式中心孔机的工作原理是利用近几年出现的金属碳弧气刨加工方法，加工过程中不受材料硬度、强度、韧性等限制，属于特种加工行业的电加工技术范畴[2].它将管坯作为工件，碳棒作为刀具，在刀具与工件之间加上弧焊机的正负电源，碳棒在伺服电机带动下工进，当碳棒与管坯接触时产生电弧，将圆形碳棒接触点的金属熔化，同时由压缩空气形成的圆形气状体把已融化的金属吹掉，在管坯的端头加工出所需尺寸的中心孔[3].基本工作原理见图2，加工后的管坯端部见图3.

3.2 工艺流程

首先给设备提供0.4 MP～0.6 MP的压缩空气，给控制台和弧焊机送电，调整弧焊机电流为450 A～600 A.将操作台选择开关指向回原点，按下回原点按钮，设备各部分回原点，以确保设备可以按顺序工作.回原点结束，选择开关拨向自动运行，按下自动运行按钮，设备按自动模式运行.自动运行工艺流程图见图4.

图2 基本工作原理图

3加工后的管坯

4 设备的特点

（1）设备以三菱FX2N-48MT-001为主控设备，考虑到节省设备成本，没有选用价格较贵的FX2N-10GM定位模块，而是使用功能指令“PLSY”给伺服控制器输出进、退脉冲.脉冲由Y0或Y1输出，除了给伺服控制器外，同时给X0或X1输入，启动高速计数器计数，以便给碳棒小车定位.

（2）PLC编程中使用了方便指令“IST”和步进指令“STL”、“SET”，设备具有手动、回原点、单次、连续运行功能.有利于设备的维修、调试和自动运行.

（3）在加工过程中，出现“焊死”时（引弧失败，碳棒与管坯直接短接），PLC检测到弧焊机输出电压小于25 V，立即给伺服驱动器发出倒退脉冲，指令伺服电机带动碳棒后退，这时计数器停止工进计数，并将原有数据保存，以便累计，待碳棒重新工进引弧成功，再进行计数.

（4）PLC设置二路模拟量输入，一路检测弧焊机的输入电流，作为引弧成功进行计数的启动信号，因为碳棒是易耗材料，它的起点每次不一样；另一路为弧焊机输出电压信号，以此判断引弧是否成功，如输出电压低于25 V，可判断引弧失败，需重新引弧.

（5）为了降低成本，缩短加工周期，提高效益，中心孔机没有设置碳棒与管坯自动对中心装置，而在X轴与Z轴方向设计螺杆式手动对中心机构，只在同规格管坯加工前对中心一次.主要考虑管坯不是频繁的更换规格，同规格管坯加工量比较大，而且同批号管坯公差尺寸基本一致，如每根管坯都对一次中心，加工周期就要大大增加，造成不能在线工作.为了减少手动对中心的时间，滚道轮与压轮采用V字形状.实践证明手动对中心装置是可行的.

图4 自动运行工艺流程图

5 结束语

小规格管坯电弧式中心孔机的试制成功，解决了小规格高硬度管坯加工中心孔的难题，投产两年，运行正常，达到了设计的效果.需要进一步改进的问题是：增加触摸屏，以利于人机对话和报警指示；在手动对中心机构上安装步进电机，利用PLC的配方功能实现管坯、碳棒对中心的半自动化，减少人为操作因素而造成的失误.

[1]乔爱云，井溢农.关于在管坯尾端增加定心工序的探讨[J].包钢科技，2004，30（6）：40-42.

[2]吕文艳，梁楚华，周建平，等.短电弧加工件表面特性的研究[J].机床与液压，2010，38（23）：056-58，61.

[3]黄国玖，胡茂会.电弧炉生产低磷合金钢P22管坯工艺实践[J].钢管，2012，41（6）：50-53.

[4]徐鸿麟，方旭东.太钢双相不锈钢管坯的试制[J].轧钢，2010，27（5）：68-71.

Trial Production of Small Size Tube Arc Center Hole Machine

XU Jian-zhou1,YE Qing2,ZHOU Yun-feng2,ZOU Ping1
（1.School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China; 2.Changshu Seamless Steel Tube Co.,Ltd.,Changshu 215500,China）

Pipe thickness deviation of cold-drawn seamless steel pipe is an important index to evaluate the quali⁃ty of pipe.Processing a tube center hole is an important guarantee for the reduction of pipe thickness deviation. In order to solve the problem of centering the hard material tube,this paper presents an arc hole center based on machine design method.The paper introduces the characteristics of the machine components and principle. The actual production shows that the machine reduces the pierced shell pipe thickness deviation,and improves the quality of the capillary.

electric arc;PLC;AC Servo Control;center hole;tube billet

TP368.1

B

1008-2794（2013）04-0058-03

2013-04-10

许建洲，高级技师，研究方向：电气自动化控制，E-mail：xjz@cslg.cn.